Трансдюсер – характеристика прибора и принцип действия

Трансдюсер – характеристика прибора и принцип действия

Неэлектрические параметры — температура, сердцебиение, кровяное давление, присущие телам живых организмов, в современных условиях традиционно измеряются электронным оборудованием. Трансдюсер — это именно тот тип электронного оборудования, которым преобразуются биологические параметры в электрические сигналы. То есть, осуществляется измерение преобразованием одной формы энергии в другую форму энергии. Сам процесс преобразования носит название — трансдукция.

Трансдюсеры – типичное исполнение приборов

Существуют различные виды измерительных приборов класса трандюсеров. Причём сам класс подразделяется дополнительно на два подкласса:

  1. Приборы активного действия.
  2. Приборы пассивного действия.

Устройства активного действия представлены следующими видами:

  • магнитно-индукционный,
  • пьезоэлектрический,
  • фотогальванический,
  • термоэлектрический.

Трансдюсеры пассивного действия отличаются от активных устройств тем, что преобразует одну форму энергии в другую форму энергии, используя для этого внешний источник питания.

Пассивный трансдюсер действует по принципу управления постоянным напряжением или сигналом несущей переменного напряжения. Существуют конструкции пассивных трансдюсеров следующих видов:

  • резистивные,
  • индуктивные,
  • ёмкостные.

Практические примеры таких устройств: тензометрические датчики, датчики напряжения, датчики нагрузки и т.п.

Трансдюсеры магнитно-индукционного действия

Преобразователи магнитно-индукционного типа работают за счёт изменения магнитного потока электрического проводника, находящегося (движущегося) в условиях магнитного поля.

Магнитно-индуктивный трансдюсер
Классическая схема конструкции магнитно-индуктивного прибора: 1 — ламинированная магнитная система; 2 — ламинированный проводник; 3 — алюминиевый барабан; R — безиндукционный резистор; L — индуктивность

За счёт таких изменений создаётся напряжение, пропорциональное скорости изменения потока. Индуцированная ЭДС (электродвижущая сила) вычисляется по формуле:

E = -B * L * V

где:  B – значение магнитной индукции; L – параметр длины проводника; V – скорость движения проводника.

Отрицательное значение магнитной индукции указывает направление индуцированной ЭДС и направление индуцированного тока, которые находятся в противоположных фазах.

Истинным является и обратный магнитный эффект. Когда ток проходит через электрический проводник, помещенный в магнитное поле, действие механической силы F на проводник видится актуальным явлением:

F = B * i * L

Применение технологии трандюсеров магнитно-индукционного типа можно встретить в конструкциях:

  • электронных расходомеров,
  • микрофонов контроля сердечного ритма,
  • инструментов индикаторного типа.

Пьезоэлектрические трансдюсеры

Когда на кристалл воздействуют силы сжатия или растяжения, внутри структуры отмечается эффект разделения зарядов. Этот эффект приводит к появлению электрического напряжения и  в целом характеризуется как пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический трансдюсер
Схема пьезоэлектрического прибора: 1 — датчик усилия; 2 , 3 — выход напряжения; 4 — основа; 5 — пьезоэлемент; ПД — порт давления

Пьезоэлектрические трансдюсеры преобразуют фактор смещения или давления в электрический потенциал. Бариевый титан, сегнетова соль, ниобат лития – это лишь малая часть пьезоэлектрических трансдюсерных материалов.

Применение пьезоэлектрических трансдюсеров широко отмечается в конструкциях импульсных датчиков, предназначенных для измерения частоты пульса. Этот же принцип преобразования используется в схемах многих других медицинских приборов и не только.

Фотоэлектрические конструкции

При условии  попадания пучка света или любого иного вида длинноволнового излучения на поверхность полупроводника, этот полупроводник начинает проводить электроны. Имеет место, так называемый фотоэлектрический эффект.

Фотоэмиссионные, фото-проводящие и фотовольтаические схемы приборов – всё это ряд фотоэлектрических преобразователей, являющихся представителями класса трансдюсеров.

Фотовольтаический трансдюсер
Схема фотовольтаической конструкции: 1 — энергия света; 2 — анти-рефлекторное покрытие; 3 — N-область; P-область; 5 — нагрузка

Здесь фотовольтаическая схема является активным преобразователем, которым генерируется величина электрического напряжения пропорционально равная величине падающего на полупроводник излучения.

Применением фотоэлектрических трансдюсеров отмечается фотоэлектрическая плетизмография, где кремниевые фотогальванические элементы действуют как импульсные датчики.

Эта же технология часто используется для измерения концентраций ионов натрия и калия, выбираемых из образца с использованием метода поглощения света.

Термоэлектрические трансдюсеры

Этот вид преобразователей работает на основе эффекта Зеебека. Электродвижущая сила (ЭДС) замкнутой цепи, согласно эффекту Зеебека образуется, когда два контакта термопары находятся в условиях двух разных температур. Сгенерированное напряжение пропорционально разнице температур между двумя переходами термопары.

Применение термоэлектрических трансдюсеров характерно для приборов, при помощи которых необходимо измерять физиологическую температуру.

Термоэлектрический трансдюсер
Конструкция термоэлектрического многофазного прибора, способного обнаруживать и выполнять преобразования незначительных по уровню термических явлений

Например, такие приборы устанавливаются в цепях дистанционного зондирования и в схемах биотелеметрии, внутри холодильных камер хранения плазмы, антибиотиков и других медицинских препаратов.

Трансдюсеры пассивного действия

Группу приборов пассивного действия составляют следующие электронные приборы:

  • тензометрические датчики,
  • фоторезисторы,
  • фотодиоды,
  • фототранзисторы,
  • термисторы.

Все эти электронные приборы выступают резистивными пассивными преобразователями. По сути, отмеченная электроника имеет общий принцип работы, который основан на измерении параметра с упором на некоторые изменения сопротивления.

Обычно схема мост Уитстона используется для измерения электрического сопротивления. Примером классического медицинского резистивного трансдюсера выступает манометрический прибор, измеряющий малые изменения объема крови, протекающей через палец.

Этим же способом измеряется внутриартериальное и внутривенное давление в организме, изменение пульсационного объема крови.

Трансдюсеры ёмкостного характера

Принцип действия в данном случае сопоставим с конденсатором, имеющим две проводящие поверхности. Диэлектрическая среда разделяет зазор между этими двумя проводящими поверхностями.

Емкостные трансдюсеры фиксируют изменение смещения в результате изменения площади токопроводящих пластин, толщины диэлектрической среды и расстояния между пластинами.

Емкостный трансдюсер
Конструкция простейшего ёмкостного трансдюсера: 1 — верхняя сторона; 2 — диэлектрический материал; 3 — сторона подложки

Применением емкостной схемы часто отмечаются дифференциальные емкостные устройства, предназначенные измерять, к примеру, кровяное давление.

Трансдюсеры индуктивного характера

Индуктивный преобразователь работает на основе изменения индуктивного сопротивления, определяемого количеством витков установленной катушки индуктивности.

Дифференциальный трансформатор измерения линейных перемещений (LVDT) — это типичное исполнение индуктивного трансдюсера, действующего как физиологический датчик давления.

Примером применения пассивных индуктивных устройств служит прибор измерения тремора пациентов, страдающих болезнью Паркинсона.


 


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *